淺談生物可降解塑料

1、    淺談生物可降解塑料    摘 要：對(duì)可降解塑料進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，介紹了可降解塑料的分類及降解機(jī)理，探討了其發(fā)展中存在的問(wèn)題，并且對(duì)可降解塑料的發(fā)展前景進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：可降解塑料；機(jī)理；分類；發(fā)展；一、前言塑料是一種密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕的高分子材料，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防工業(yè)。然而，隨著塑料應(yīng)用范圍和消費(fèi)量的日益增大，自然界中的普通塑料制品廢棄物正以每年2500萬(wàn)噸的速度累積，其中大多數(shù)是一次性包裝用品，它們重量輕、體積大、難以降解，回收利用比較困難且不經(jīng)濟(jì)，嚴(yán)重威脅和破壞人類和動(dòng)植物的生存環(huán)境。隨著人類環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，可從源頭解決“白色

2、污染”問(wèn)題的可降解塑料已越來(lái)越受到重視。根據(jù)降解機(jī)理，可降解塑料大致分為光降解和生物降解兩大類。光降解塑料在吸收紫外光后可發(fā)生引發(fā)作用，使聚合物分解為較短鏈的碎片，而后在環(huán)境中繼續(xù)氧化分解，最終轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)。光降解塑料一般可由普通塑料添加光敏劑共聚合成。隨著全球范圍內(nèi)石油資源的日益短缺以及現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，最具應(yīng)用前景的還是生物降解塑料1。二、分類降解塑料按降解的環(huán)境條件分類，可分為非（或不完全）生物降解塑料和全生物降解塑料兩大類，包括光降解塑料、熱氧化降解塑料、淀粉基部分生物降解塑料等。前者是在普通塑料如聚乙烯（pe）、聚丙烯（pp）中加入光敏劑、熱氧化劑、生物誘發(fā)劑（如淀粉）等，使一次

3、性塑料制品在完成使用壽命后，加速降解。這些塑料袋的應(yīng)用性能和價(jià)格接近普通塑料袋，而且其廢棄物在光、熱、微生物等環(huán)境條件下，也會(huì)發(fā)生質(zhì)量劣化、力學(xué)性能下降或部分被微生物吞噬等，但不能在較短時(shí)間內(nèi)完全降解成二氧化碳和水。長(zhǎng)期跟蹤實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，塑料只要降解破碎成一定程度的小碎片或粉末，不但不會(huì)對(duì)植物的根系造成危害，還能夠起到疏松土壤的作用。另一大類為全生物生物降解塑料，包括聚乳酸、脂肪族聚酯、二氧化碳共聚物、聚乙烯醇以及它們與淀粉共混物和塑料合金等，它們的廢棄物能在較短時(shí)間完全生物降解，但目前仍處于中試和小批量生產(chǎn)階段，價(jià)格比普通塑料高110倍，目前較難被市場(chǎng)接受；但從發(fā)展來(lái)看，具有光明的前景。所以，從

4、減輕環(huán)境污染、緩解環(huán)境矛盾的角度出發(fā)，降解塑料具有一定市場(chǎng)潛力。目前，國(guó)外已采用的光降解技術(shù)有合成型和添加型2種。前者是在烯烴聚合物主鏈上引入光敏基團(tuán)，后者是在聚合物中添加有光敏作用的化學(xué)助劑。現(xiàn)對(duì)乙烯共聚物類光降解聚合物研究最多。研究表明，聚乙烯降解成相對(duì)分子質(zhì)量低于500的低聚物后，可被土壤中的微生物吸收降解，具有較好的環(huán)境安全性。生物降解塑料是指在自然環(huán)境下通過(guò)微生物的生命活動(dòng)能很快降解的高分子材料。按其降解特性可分為完全生物降解塑料和生物破壞性塑料。按其來(lái)源則可分為天然高分子材料、微生物合成材料、化學(xué)合成材料和摻混型材料等。天然高分子型是利用淀粉、纖維素、甲殼質(zhì)、蛋白質(zhì)等天然高分子材料

5、制備的生物降解材料。這類物質(zhì)來(lái)源豐富，可完全生物降解，而且產(chǎn)物安全無(wú)毒性，日益受到重視。微生物合成高分子聚合物是由生物發(fā)酵方法制得的一類材料，主要包括微生物聚酯和微生物多糖，其中以前者研究較多。研究發(fā)現(xiàn)，目前可用于合成微生物聚酯的細(xì)菌約有80多種，發(fā)酵底物主要為c15化合物。這類產(chǎn)品有較高的生物分解性，且熱塑性好，易加工成型，但在耐熱和機(jī)械強(qiáng)度等性能上還不夠好，而且其成本高，尚未得到良好的應(yīng)用，現(xiàn)正在嘗試改用各種碳源以降低成本2。三、淀粉基塑料的降解機(jī)理（1）生物降解塑料生物降解塑料是指在一定條件下，在能分泌酵素的微生物（如真菌、霉菌等）作用下可完全生物降解的高分子材料，可分為生物破壞性塑料和

6、完全生物降解塑料。關(guān)于生物降解塑料的降解機(jī)理，一般認(rèn)為：淀粉塑料中的淀粉首先作為微生物（如細(xì)菌和真菌）侵噬，使塑料表面積大大增加；同時(shí)，微生物分泌出酶，酶進(jìn)入聚合物的活性位置發(fā)生作用，導(dǎo)致聚合物強(qiáng)度下降；另一方面，添加的自氧化劑與士壤中的金屬鹽反應(yīng)生成過(guò)氧化物，過(guò)氧化物可切斷聚合物的分子鏈，而聚合物表面積的增大對(duì)此過(guò)程又有極大的促進(jìn)作用，進(jìn)而使聚合物高分子斷裂為低分子物質(zhì)，并進(jìn)一步被微生物降解為二氧化碳和水。（2） 光降解塑料光降解塑料的降解機(jī)理是在塑料體系中引入光敏劑、促氧劑等物質(zhì)，在光線、熱等自然環(huán)境作用下，使高聚物的鏈被斷裂，分子量下降，從而被微生物吞噬消化，達(dá)到降解目的。光降解（光氧化

7、）發(fā)生在有氧，并且光充足、添加催化劑的條件下，像不飽和脂肪酸的金屬鹽和加成反應(yīng)的親核試劑可使光降解能力增加。（3）光-生物降解塑料光降解和生物降解的結(jié)合不僅使材料的降解可控性提高，同時(shí)還克服了單純光降解材料在陽(yáng)光不足或非光照下難降解的問(wèn)題，也克服了單純淀粉塑料在非微生物環(huán)境中難降解的問(wèn)題。光降解和生物降解具有協(xié)同效應(yīng)，并非是簡(jiǎn)單的加合。光-生物降解塑料的降解機(jī)理是：淀粉等生物降解劑首先被生物降解，這一過(guò)程削弱了高聚物基質(zhì)，使高聚物母體變得疏松，增大了表面/體積比；同時(shí)，日光、熱、氧、引發(fā)光敏劑、促氧劑等物質(zhì)的光氧化和自氧化作用，導(dǎo)致高聚物的鏈被氧化斷裂，分子量下降并被微生物消化3。四、降解塑料

8、存在問(wèn)題生物降解塑料作為高科技生物產(chǎn)品和環(huán)保產(chǎn)品正成為當(dāng)今世界研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。它的發(fā)展可從根本上解決傳統(tǒng)塑料制品對(duì)生態(tài)環(huán)境的巨大破壞，對(duì)日益枯竭的石油資源是一個(gè)補(bǔ)充，充分展示了高新生物技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的美好前景，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。然而我們必須認(rèn)識(shí)到，生物降解塑料在大規(guī)模應(yīng)用之前必須解決如下問(wèn)題1：（1）市場(chǎng)應(yīng)用。由于生產(chǎn)可降解塑料的成本偏高，造成其在市場(chǎng)中價(jià)格偏高，這樣就給可降解塑料的推廣造成了很大的影響。同時(shí)一次性紙制品的迅速崛起也給可降解塑料帶來(lái)很大的沖擊。（2）降解技術(shù)尚不成熟。目前很多的光降解塑料都是在塑料中添加光分解劑或者光敏劑，而這些添加劑對(duì)塑料的降解效果受到地理環(huán)境和氣候的影響

9、很大，這樣就很難做到準(zhǔn)確控制降解時(shí)間，同時(shí)，埋地部分和進(jìn)入垃圾填埋系統(tǒng)部分也很難得到降解。目前有些所謂生物降解塑料是以簡(jiǎn)單的物理共混工藝，將淀粉填充到聚乙烯等樹(shù)脂內(nèi)，雖可加工吹塑成膜，但這種“降解”薄膜，待其內(nèi)所含淀粉被生物降解后，其聚合物骨架在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（約20年）仍有50%殘留量，反而為廢棄塑料的回收加工處理增加了困難。（3）降解塑料的標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。對(duì)于降解塑料，世界上尚沒(méi)有統(tǒng)一的定義、試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法、識(shí)別標(biāo)志和產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)，致使缺乏正確統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和確切的評(píng)價(jià)，產(chǎn)品市場(chǎng)比較混亂，真假難辯4。五、發(fā)展方向生物可降解高分子材料因其獨(dú)特的性能而具備了良好的發(fā)展前景。以可再生資源研究開(kāi)發(fā)生物可降解高分子材料是出于對(duì)資源與環(huán)境的考慮，目前雖然關(guān)于這方面的研究工作還存在許多尚未解決的問(wèn)題，但相信隨著科學(xué)發(fā)展，技術(shù)日益進(jìn)步，材料性能普遍提高，加上公眾環(huán)保意識(shí)的進(jìn)一步增強(qiáng)，可再生資源在生產(chǎn)生物可降解材料方面的利用前景會(huì)更加廣闊。加之石油資源